"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Тепловые машины превращают часть энергии топлива в механическую работу и тепло. Их используют в двигателях автомобилей и на электростанциях, но сжигание топлива сопровождается выбросами, а работа установок — выделением тепла. Углекислый газ усиливает парниковый эффект, другие продукты сгорания могут загрязнять воздух и вызывать кислотные дожди, а нагретая вода влияет на водоёмы. Снизить экологический вред помогают экономия топлива, высокий КПД, очистка выбросов и источники энергии без сжигания топлива.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Парниковый эффект — повышение температуры поверхности Земли и атмосферы из-за того, что некоторые газы задерживают тепловое излучение, уходящее от Земли. Углекислый газ относится к таким газам: чем больше его в атмосфере, тем больше тепла может задерживаться. Это понятие помогает объяснить, почему выбросы при сжигании топлива связаны с изменением климата.
Тепловое загрязнение — нагрев окружающей среды из-за сброса избыточного тепла, например воды, нагретой на электростанции. Вода или воздух при этом становятся теплее не из-за обычных природных причин, а вследствие работы техники. Понятие нужно, чтобы учитывать не только вещества в выбросах, но и само изменение температуры среды.
Кислотные дожди — осадки с повышенной кислотностью, возникающие, когда некоторые загрязняющие газы превращаются в атмосфере в кислоты. Такие газы могут образовываться при сгорании топлива и затем переноситься воздухом. Это понятие помогает связать выбросы с их воздействием на растения, водоёмы и почву.
Многие тепловые машины получают энергию за счёт сжигания топлива. В топливе запасена химическая энергия, и при горении она высвобождается: часть превращается в полезную работу, а часть рассеивается в виде тепла. Одновременно образуются газы и мелкие частицы, поэтому использование машины может влиять и на воздух, и на окружающую температуру.
Одним из продуктов полного сгорания топлива является углекислый газ. Он не исчезает сразу после выброса и накапливается в атмосфере, если его поступление превышает удаление природными процессами. Углекислый газ задерживает часть уходящего теплового излучения, поэтому при увеличении его количества усиливается парниковый эффект. Изменение теплового баланса Земли способствует изменению климата, хотя на климат влияют и другие причины.
При сгорании топлива могут появляться не только углекислый газ, но и другие продукты, вредные для здоровья и природы. Например, соединения серы и азота взаимодействуют с веществами в атмосфере и могут превращаться в кислоты. Затем кислоты попадают на землю вместе с осадками, из-за чего дождь или снег становятся более кислыми. Это может вредить растениям и водным организмам, а также менять свойства почвы и воды.
Тепловые машины и электростанции выделяют тепло, которое не всегда уходит без последствий. Если нагретую воду сбрасывают в реку, температура воды меняется, а вместе с ней меняются условия жизни организмов. Для некоторых видов важен определённый температурный диапазон, поэтому нагрев может ухудшить их выживание и нарушить связи между организмами. Нагрев воздуха вокруг установок также является частью теплового воздействия на среду.
Уменьшить вред можно, сокращая количество топлива, необходимого для той же работы. Экономное использование энергии снижает сжигание топлива, а повышение КПД позволяет получить больше полезной работы из его энергии. Очистка выбросов помогает задержать часть вредных веществ до их попадания в атмосферу. Переход к источникам энергии, при работе которых топливо не сжигают, сокращает связанные с горением выбросы, хотя оценивать нужно и другие воздействия таких источников.
Читайте таблицу по строкам: сначала проследите, что служит причиной, затем — как возникает воздействие и к чему оно может привести. Последний столбец показывает способы уменьшить вред, но не обещает полностью устранить его. Для каждого случая полезно различать загрязнение веществами и воздействие избыточного тепла.
| Причина или загрязнитель | Как возникает | Возможное последствие | Способ уменьшить вред |
|---|---|---|---|
| Углекислый газ | Образуется при сжигании топлива и поступает в атмосферу | Усиление парникового эффекта и содействие изменению климата | Экономить топливо, повышать КПД, использовать источники энергии без его сжигания |
| Вредные продукты сгорания | Возникают при горении топлива; соединения серы и азота могут превращаться в атмосфере в кислоты | Загрязнение воздуха, вред здоровью и природе, кислотные дожди | Очищать выбросы и уменьшать расход топлива |
| Избыточное тепловыделение | Тепло отводится в воздух или попадает в водоём с нагретой водой | Изменение условий жизни организмов и состояния экосистем | Сокращать избыточные потери тепла и не допускать опасного нагрева водоёмов |
Задача 1. Назовите два экологических последствия сжигания топлива тепловым двигателем. Нужно указать именно последствия, а не перечислить виды топлива или детали двигателя. При ответе полезно проследить путь от горения к выбросам и их действию на природу.
Ответ: сжигание топлива может усиливать парниковый эффект и загрязнять воздух вредными продуктами сгорания, в том числе способствующими кислотным дождям.
Задача 2. На электростанции сбрасывают в реку нагретую воду. Объясните, почему это может навредить водным организмам. Здесь не требуется вычислять температуру: нужно показать причинную связь между нагревом и состоянием экосистемы.
Ответ: нагрев воды способен ухудшить условия обитания водных организмов и нарушить равновесие экосистемы.
Задача 3. Двигатель за поездку сжигает 2 кг топлива. При более экономичном режиме расход уменьшается на 25%. На сколько килограммов сократится расход топлива и выбросы продуктов сгорания, если считать их пропорциональными расходу топлива? Сначала найдём уменьшение расхода, а затем применим условие о пропорциональности выбросов.
Ответ: расход сократится на 0,5 кг, до 1,5 кг; выбросы продуктов сгорания также уменьшатся на 25%.
Ошибка — считать углекислый газ единственным вредным продуктом работы тепловых машин. Так думают, потому что именно его часто связывают с изменением климата, но при сгорании могут образовываться и другие загрязнители. Проверьте себя: в ответе о выбросах упомяните не только углекислый газ, но и другие продукты сгорания.
Ошибка — путать усиление парникового эффекта с разрушением озонового слоя. Эти процессы имеют разные причины: парниковый эффект связан с задержкой теплового излучения, а повреждение озонового слоя — с воздействием некоторых веществ на озон. Чтобы проверить ответ, спросите себя, о каком явлении идёт речь: о тепле, остающемся в системе Земля—атмосфера, или об изменении количества озона.
Ошибка — думать, что тепловое загрязнение возникает только при выбросе вредных веществ. Его причина может быть в самом нагреве воды или воздуха, даже если речь не идёт о попадании загрязнителя в водоём. Проверьте себя: если температура среды изменилась из-за отвода тепла, это тоже воздействие на природу.
Ошибка — считать, что очистка выхлопа полностью устраняет экологический вред. Её допускают, потому что очистка действительно уменьшает отдельные выбросы, но она не отменяет расход топлива и выделение тепла. Проверьте вывод, отдельно оценив выбросы, потребление топлива и тепловое воздействие.
Чтобы понять экологические последствия работы тепловых машин, нужно знать, что топливо при сгорании выделяет энергию, а машина превращает только часть этой энергии в механическую работу. Остальная энергия не исчезает и в значительной мере передаётся окружающей среде как тепло. Знания о КПД и расходе топлива помогают сравнивать двигатели: при одинаковой полезной работе более экономичный двигатель требует меньше топлива. Значит, уменьшаются и выбросы, связанные со сжиганием топлива.
Почему тепловые машины загрязняют окружающую среду?
Для работы многих тепловых машин сжигают топливо. При этом образуются углекислый газ и другие продукты сгорания, а избыток энергии выделяется в виде тепла. Выбросы загрязняют воздух, а тепло может влиять на водоёмы и атмосферу.
Как углекислый газ влияет на климат?
Углекислый газ задерживает часть теплового излучения, уходящего от Земли. Когда его содержание в атмосфере увеличивается, усиливается парниковый эффект и может меняться климат.
Чем опасны кислотные дожди?
Кислотные осадки могут вредить растениям и водным организмам, а также воздействовать на почву и сооружения. Они возникают, когда некоторые загрязняющие газы превращаются в атмосфере в кислоты.
Почему нагретая вода электростанций может вредить природе?
Сброс такой воды повышает температуру водоёма и меняет привычные условия обитания организмов. Из-за этого отдельные виды могут хуже выживать, а равновесие экосистемы — нарушаться.
Можно ли полностью устранить экологический вред тепловых машин?
Полностью устранить его трудно, пока для работы машин сжигают топливо и выделяют тепло. Но вред можно уменьшить, экономя топливо, повышая КПД, очищая выбросы и переходя на источники энергии без сжигания топлива.
§ 31. Экологические проблемы использования тепловых машин
